基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口系统研制(开题)

毕业论文开题报告

论文题目：基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口系统研制

学院：信息学院

专业：通信工程

年级：2008级

姓名：钟超

学号：0815232045

指导老师：闫阎铮峥

时间：2012.3

一．研究目的和意义

脑机接口(brain-computer interface，BCI)是近几十年发展起来的一种新颖的人机接口方式。它是不依赖于脑的正常输出通路(外周神经系统及肌肉组织)的脑-机(计算机或其它装置)通讯系统（文献）。100多年前，科学家Hans Berger第一次记录了脑电波（Electroencephalography,EEG）,人类对大脑的开发从此进入了新的时代（文献）。之后的研究表明，不仅大脑中充满电活动，而且这些脑电波并非杂乱无章。这些电活动和人的精神状态，情绪活动，大脑健康程度都有莫大的关系。BCI是一项涉及医学，神经学，信号检测，信号处理，模式识别等多学科交叉技术。在20世纪70年代Jacques vidal的研究拉开了BCI 的序幕（文献）。

脑-机接口的一个重要用途是为那些思维正常但有严重运动障碍的患者提供语言交流和环境控制途径，提高其生存质量。脑-机接口技术在工业、航空、军事等领域也有潜在的应用价值。它正成为脑科学、康复工程、生物医学工程及人机自动控制研究领域的一个研究热点。目前，脑-机接口的研究正处于发展阶段，现有的脑-机接口系统还存在通讯速度低、效果不稳定等技术障碍。视觉诱发电位是神经系统接受视觉刺激所产生的特定电活动，发生于特定的时间及特定的部位，相对比较容易检测，适合于脑-机接口应用。只要使用者视觉功能正常，就可以利用视觉诱发电位信号实现脑机接口。采用该方法，使用者无需训练或只需少量训练。（视觉诱发电位VEP和稳态视觉诱发电位SSVEP是有区别的，这里加一段SSVEP 的定义，从内容上从前述VEP过度过来）目前，基于稳态视觉诱发电位的脑机接口技术已有研究。

二．国内外研究内容

脑电信号反映了大脑神经元的生物电活动，记录和分析脑电信号时是人们了解大脑的途径之一。1875年英国科学家Caton记录到了动物大脑皮层的电活动。1929年，英国科学家Berger第一次发表了关于人的脑电波的研究。1936年以后，脑电图学在世界范围内发展起来，并与临床相结合，得到了广泛的应用。脑电图检查现已在神经精神科的临床诊断中起着重要的作用，已经发现许多脑病和精神疾病与EEG异常相关。EEG也常用于睡眠分析、麻醉深度监护等。（具体年代后的研究应标明出处，参考文献）

脑电来自大脑神经组织的电活动。大脑皮层的神经元具有生物电活动，因此大脑皮层经常有持续的节律性电位改变，称为自发电活动。自发脑电图的波形分类，主要是依据其频率的不同来划分的。在不同条件下，波形频率的快慢可能有显著地差别，每秒0.5-3次的称为δ波，每秒4-7次的波称为θ波，每秒8-13次的波称为α波，每秒14-30次的波称为β波，如图1.1所示。一般来说，频率慢的波其波幅常比较大，而频率快的波其波幅就比较小。例如，在成年人头上皮上引导时，δ波可有20-200μV，α波有20-100μV，而β波只有5-20μV。

图1.1几种脑电波号波形（不是自己的图，标明出处）除自发脑电外，还存在诱发脑电信号，也称为诱发电位。诱发电位（evoked potential,EP）是神经系统接受内、外界“刺激”所产生的特定电活动。诱发电位可分为两大类，一类是外

源性刺激相关诱发电位；另一类是内源性事件相关诱发电位，与大脑的认知功能有关。

与自发脑电相比，诱发电位的波幅较低，通常淹没于自发脑电和其他各种伪迹中。诱发电位有一定的空间、时间和相位特征，诱发电位须在特定的部位才能检测出来，再者，诱发电位的潜伏期与刺激之间有较严格的锁时关系，而且是在给予刺激时，几乎可立即或在一定时间内瞬时出现。这与自发脑电长时、自发、周期性的出现是有区别的，当然这种区别也是相对的。

视觉诱发电位（visual evoked potential,VEP）是指神经系统接受视觉刺激（如图形或闪光刺激）所产生的特定电活动。E.E Sutter在1992年进行了基于VEP的脑机接口研究，在专用的显示器上，排列了8X8的符号矩阵，符号矩阵以一种伪随机二进制序列（m序列）进行闪烁或红/绿交替变化以产生视觉刺激，受试者注视想要选择的符号，将测得的脑信号与事先记录的模板相比较，就可以确定受试者所注视的目标。

P.J.Cilliers等在1993年报道，他们为颈椎C2水平受伤的四肢瘫患者设计了基于VEP的脑-机借接口，屏幕边沿设有4个闪烁的发光二级管，以频率为10HZ正弦调制方式闪烁，其相位互相正交，使用者通过注视其中一个LED来作出4选1的选择，以这种方式筛选出标准键盘的一个键，使使用者可以在平均15S时间内，选出键盘中的任意一个键。

美国空军研究室采用稳态视觉诱发电位（steady-state visual-evoked potential,SSVEP）来实现脑机接口。当视觉刺激频率大于4HZ或6HZ时，可以诱发出稳态诱发电位，其中包含刺激频率及其谐波成分。基于SSVEP的研究方法有两种。第一种方法是用13.25HZ正弦调制的白色荧光刺激产生SSVEP，受试者通过反馈训练，学习控制SSVEP的幅度，其应用有：①SSVEP幅度控制模拟飞行器，当SSVEP的幅度高于某阀值时飞行模拟器向右转，低于另一阀值时，飞行模拟器向左转。②用SSVEP幅度控制功能性电刺激（FES）的开关及电流强度，训练瘫痪肢体，SSVEP幅度控制膝关节屈伸的角度，控制FES开关的准确率达95.8%，平均延时为4.28S和5.93S。③通过控制SSVEP幅度来实现选择屏幕上与任务相对应的开关。第二种方法不需要训练，通过识别不同频率的SSVEP来实现控制，屏幕上有两个按钮，以不同频率闪烁，受试者注视要选的按钮，SSVEP中相应的频率成分的幅度增加。

清华大学程明、高上凯设计了基于SSVEP的光标控制系统，屏幕上代表不同方向的四个方块以不同频率（6-9HZ）闪烁，用快速傅里叶变换（FFT）进行频谱分析，在线处理SSVEP，通过比较诱发电位信号频谱峰值，可以判别出受试者眼睛注视的方块，从而控制光标移动。三．主要研究内容

1.设计基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口系统。

系统的整体组成大致如下图所示。涉及两台计算机，作用分别为执行数据处理和控制人机界面，执行数据处理的微机同时肩负控制实验的流程。EEG的采集依靠实验室现有的设备，一个快速电极帽适当地放置在被测试者的头部。从电极帽上的15个电极采集到的数据被送入一个专业的数据采集器。数据采集的频率为2561000HZ。在这台设备中将对信号进行放大和数模转换，随后通过数据接口把转换好的数据送入负责处理数据的计算机。数据处理以及实验控制的程序用Matlab编写，数据处理的结果以及不同阶段的控制信号通过UDP有线局域网络传输给另一台计算机以控制人机交互界面。当数据处理的结果反映到人机界面的时候，对被测试者而言也起到了生物反馈的作用。本次系统仅设计Matlab框架下数据处理和实验控制。(通常也是较简单的做法是一台记录脑电信号，一台负责实验界面，包括数据处理和反馈显示，因此无需UDP来传输处理结果)